Ugrás a tartalomhoz

Műanyag kompozitok - 2. rész

Dr. Varga Csilla (2012)

Pannon Egyetem

3. fejezet - A műanyag kompozitok felépítése

3. fejezet - A műanyag kompozitok felépítése

A műanyag kompozitok három alapvetően különböző építőelemből állnak: mátrix, erősítő- és/vagy töltőanyag és adalékok.

A mátrix elsődleges feladata, hogy a szálakat a kívánt helyzetben és irányban rögzítse, de el is kell választania azokat egymástól, mert így elkerülhető a kompozit deformálódása közbeni kölcsönös súrlódás. A mátrix a szálak közötti terhelésátadó közegként is funkcionál, és kevésbé ideális esetben, összetett terhelés esetén, a mátrix a szál tengelyére merőleges terhelés felvételére is alkalmas.

Az erősítő szálak általában nagy szilárdsággal és rugalmassági modulusszal rendelkeznek, fő teherviselő elemként szolgálnak. Az erősítő anyagok a mátrixba beágyazva fejtik ki hatásukat, általában a kompozit húzó- és hajlítószilárdságát növelik. Az iparban leggyakrabban az üvegszálat, a szén- és grafitszálat, a szén nanocsövet és az aramid szálat alkalmazzák [10].

Ebben a fejezetben röviden áttekintjük a különböző polimereket, részletesen bemutatjuk a leggyakoribb erősítő- és töltőanyagokat, de más kevésbé elteredt típusokat is megemlítünk az érdekesség szempontjából. Az adalékok közü részletesen a kompatibilizáló adalékokat/kapcsoló ágenseket tárgyaljuk, a többi típust csak érintőlegesen megemlítjük.

Mátrix anyagok

A mátrix anyaga polimer-, fém- vagy kerámia lehet. A leggyakrabban alkalmazott szálkompozitokban mesterséges polimereket, hőre keményedő, illetve lágyuló gyantákat használnak [10]. A legfontosabb fém-mátrixok alumínium-, titán-, magnézium- és rézötvözet alapúak. A kerámia kompozitokat–amelyek tartalmazhatnak üveget, félfémeket–magas hőmérsékleten és olyan alkalmazásokhoz használják, ahol fontos az anyag kémiai stabilitása.

Szintetikus műanyagok

A műanyagokat hőre keményedő és hőre lágyuló csoportokra oszthatjuk (4. ábra). A hőre keményedő műanyagok (duroplasztok) rendkívül sok térhálósodási hellyel rendelkező molekulákból állnak, és egy meghatározott hőmérséklet fölött képlékenységük megszűnik. A hőre lágyuló műanyagok (termoplasztok) üvegesedési hőmérsékletük fölött kemény állapotból képlékeny, alakítható állapotba mennek át. A makromolekulák nem vagy csak kis mértékben térhálós szerkezetűek.

4. ábra - Szintetikus műanyagok csoportosítása

4. ábra Szintetikus műanyagok csoportosítása

Hőre keményedő műanyagok

A hőre keményedő műanyagok sok térhálósodási hellyel rendelkeznek, számos keresztkötés alakul ki a polimeren belül, ez okozza nagy stabilitásukat. Minél több a keresztkötés a molekulában, annál ridegebb lesz a műanyag. Nagy hőállóságuk miatt nem lehet újraolvasztani a selejtes vagy elhasználódott termékeket, ezért legtöbbször elégetik őket. A leggyakrabban epoxi, poliészter, vinilészter és fenol/formaldehid típusú gyantákat alkalmaznak a kompozitokban. Néhány hőre keményedő műanyag tulajdonságait mutatja be a 2. táblázat [11-14].

2. táblázat - Néhány hőre keményedő műanyag tulajdonságai

műanyag

epoxi

fenoplaszt

poliészter

vinilészter

sűrűség, g/cm3

1,2-1,3

1,2-1,4

1,1-1,4

1,1-1,2

szakítószilárdság, MPa

50-130

35-60

40-90

70-90

húzó modulusz, GPa

2,5-5,0

2,7-4,1

1,6-4,1

3,0-4,0

szakadási nyúlás, %

<9

-

<5

<6

hajlítószilárdság, MPa

110-215

-

60-160

120-140

nyomószilárdság, MPa

110-210

-

90-200

-

folyamatosan alkalmazható üzemi hőmérséklet, °C

80-215

70-250

60-150

-


Epoxi gyanták

Az epoxi gyanták oligomer formában kerülnek forgalomba, amelyek molekulánként legalább két epoxi-csoportot tartalmazó, oldószermentes, molekulatömegtől függően folyékony, mézszerű, illetve szilárd anyagok. Térhálósításuk az epoxi-csoporttal reakcióba lépő funkciós csoportot tartalmazó anyagokkal (aminok, poliamidok, savanhidridek) megy végbe. Széleskörű elterjedésüket az tette lehetővé, hogy a típusok és a térhálósítószerek széles választékban állnak a felhasználók rendelkezésére, és a térhálósítás nyomómentesen kivitelezhető. Fontos szempont, hogy térhálósításuk közben nem keletkeznek folyékony termékek (pl. víz), a térhálósított gyanta pedig oldószerben nem oldódik. Az epoxi gyanták kiváló mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek, a különböző szálakkal és a fémekkel kiváló az adhéziójuk. A melegen térhálósítható gyanták tulajdonságai fölülmúlják a szobahőmérsékleten térhálósítható gyantákét, de feldolgozásuk sokkal költségesebb.

5. ábra - Biszfenol-A típusú epoxi általános képlete

5. ábra Biszfenol-A típusú epoxi általános képlete

A kompozitokhoz túlnyomórészt a biszfenol-A bázisú epoxi-gyantákat (5. ábra), epoxi novolakkokat, cikloalifát epoxidokat és halogén epoxidokat alkalmazzák. Jó a vegyszerekkel és a korrózióval szembeni ellenállásuk. Általában törékenyek, de hőre lágyuló műanyagokkal együttesen alkalmazva lágyabbá tehetők, és egyúttal a hőre lágyuló műanyag termikus stabilitása is javítható.

Formaldehid gyanták

A polimereknek ez a típusa az összes többkomponensű műanyag közül a legrégebbi és a legolcsóbb (6. ábra). Értékes tulajdonságuk az égéssel szembeni ellenállóságuk. Olyan helyeken is alkalmazzák őket, ahol követelmény a hővel, a súrlódással és a vegyszerekkel szembeni ellenálló képesség, és térbeli stabilitás szükséges.

6. ábra - Fenol-formaldehid általános képlete

6. ábra Fenol-formaldehid általános képlete

A fenolos gyanták egészen 250°C-ig alkalmazhatóak, emellett kitűnnek jó dielektromos tulajdonságaikkal. Hátrányuk, hogy kikeményítésük alatt gőz formájában víz szabadul fel, ez a kompozitban pórusok keletkezéséhez vezethet, ami ronthatja a mechanikai tulajdonságokat. A fenol-formaldehid gyanták (fenoplasztok) általában sötét színűek, ezért olyan helyeken alkalmazzák elsősorban, ahol a szín nem számít. Világos színű termékek előállításához pl. melamin-formaldehidet alkalmaznak.

Poliészter gyanták

A poliészterek olyan makromolekuláris anyagok, amelyekben a szabályosan ismétlődő alapegységek észter kötéseken keresztül kapcsolódnak össze. Tulajdonságaik alapján három csoportba sorolhatók. A telítetlen poliészterek több-bázisú telítetlen karbonsavakból és többértékű alkoholokból felépülő vegyületek (7. ábra).

7. ábra - Telítetlen poliészter általános képlete

7. ábra Telítetlen poliészter általános képlete

A telítetlen poliészter gyanta monomere oldószerben, általában sztirolban oldott anyag, amely a polimerizáció során reakcióba lép az oldószerrel. Ennek következtében térhálós szerkezet alakul ki, az így keletkezett műgyanta a legtöbb oldószerben nem oldható. A sztirol egészségre káros hatása miatt és a kibocsátására vonatkozó környezetvédelmi előírások szigorodásával a gyártók azonban erőteljesen törekszenek hatékonyabb térhálósító katalizátorok alkalmazására a gyanta sztirol-tartalmának csökkenthetősége érdekében, illetve kevésbé illékony, szubsztituált sztirol-vegyületek felhasználására [1].

A kis molekulatömegű poliészterek dikarbonsavak és két- vagy háromértékű alkoholok észterezése során keletkező lineáris vagy kismértékben elágazó molekulákból állnak. Az alkidgyanták több-bázisú aromás karbonsavak és zsírsavak, valamint többértékű alkoholok észterezése során keletkező molekulákból álló vegyületek, amelyek a lakkok kötőanyagai. A zsírsavat nem tartalmazó alkidgyanták a telített poliésztergyanták.

A poliészter gyanták erősítés nélkül műszaki célokra alacsony szilárdsági értékük és ridegségük miatt nem használhatók, kompozitok mátrixanyagaként való alkalmazásuk azonban igen elterjedt. Többnyire üvegszövetet, üvegszálakat impregnálnak poliészterrel, és így a fémekkel összemérhető szilárdságú, de azoknál lényegesen könnyebb használati tárgyakat állítanak elő.

Széles körben alkalmazzák viszonylag alacsony áruknak, könnyű kezelhetőségüknek, a gyors kikeményedésnek és a légköri hatásokkal szembeni jó ellenállóságnak, jó mechanikai, elektromos és kémiai tulajdonságaiknak köszönhetően.

Vinilészter gyanták

A vinilészter gyanták a poli(vinil-alkohol) alapú poliészternek epoxi gyantával, novolakk gyantával, vagy epoxi-novolakk gyantával módosított változatai (8. ábra). Alapvetően abban térnek el a poliészterektől, hogy a reaktív helyek a lánc végén helyezkednek el. Kevesebb észtercsoportot tartalmaznak, így kevésbé érzékenyek a víz hatására bekövetkező degradációra. A hosszú szénláncok ellenállóvá teszik, jobb terhelésátadás jellemzi.

8. ábra - Vinilészter általános képlete

8. ábra Vinilészter általános képlete

A jobb mechanikai tulajdonságok, a magasabb hőállóság és a kiváló vegyszerállóság különbözteti meg a poliészter gyantáktól. A vinilészter polimerben kevesebb keresztkötés kialakulására van lehetőség, emiatt rugalmasabb, jobban nyúlik [11].

Szilikon gyanták

A szilikon gyanták (9. ábra) a fenolgyantákhoz hasonló karakterisztikákkal rendelkeznek, egyes típusaikat 250°C feletti hőmérsékleteken is lehet alkalmazni. Mechanikai tulajdonságaik a hőmérséklettel nem változnak jelentősen.

9. ábra - Szilikon gyanta általános képlete (R: metil- fenil- trifluor-propán… térhálósítható csoport)

9. ábra Szilikon gyanta általános képlete (R: metil- fenil- trifluor-propán… térhálósítható csoport)

Hőre lágyuló műanyagok

A hőre lágyuló műanyagokban nem alakulnak ki keresztkötések, emiatt rugalmasak és könnyen formálhatók. Lehetnek amorfak és részben kristályos szerkezetűek. Szobahőmérsékleten szilárd anyagok, de magasabb hőmérsékleten meglágyulnak és megolvadnak. A hőmérsékletet csökkentve újra megszilárdulnak, így a feldolgozásuk egyszerűbb és olcsóbb. A leggyakrabban előforduló hőre lágyuló műanyagok tulajdonságait a 3. táblázat foglalja össze [12-14].

3. táblázat - Néhány hőre lágyuló műanyag tulajdonságai

műanyag

sűrűség

szakítószilárdság

húzó modulusz

tartós hőállóság

hidegállóság

Tg

Tm

(g/cm3)

(MPa)

(GPa)

(°C)

(°C)

(°C)

(°C)

tömegműanyagok

PE

0,90-1,00

20-35

0,1-1,5

50-80

-60÷-110

-133÷-100

105-140

PP

0,90-0,92

19-41

1,0-1,8

50-125

-

-23÷-10

160-176

PS

1,04-1,13

19-69

1,5-3,5

60-80

-50

100-105

240

kemény PVC

1,38-1,55

5-7,5

2,3-4,0

65-85

-

80-82

-

lágy PVC

1,16-1,35

1-2,5

1,5-2,5

50-55

-

-10÷30

-

PUR

1,13-1,25

25-55

1,7

75-80

-40

-70÷-130

-

műszaki műnyagok

ABS

1,04-1,20

43-79

1,5-2,5

80-110

-40

105-109

-

PA

1,04-1,17

55-90

1,1-3,5

75-135

-60

40-53

225-269

PBT

1,29-1,31

50-65

2,3-3,2

120-140

-40÷-50

20-60

224-240

PC

1,19-1,24

53-72

2,1-3,5

100-135

-40

140-150

-

PET

1,30-1,40

50-70

2,1-4,0

120-150

-60

69-110

246-265

PMMA

1,18

65-80

2,0-4,0

80-100

-50

100-122

130-157

POM

1,40-1,42

60-80

2,0-3,0

80-150

-30÷-50

-82

181-184

PPE

1,05-1,07

40-70

1,2-2,5

80-130

-20÷-50

209

288

nagyteljesítményű műanyagok

PEEK

1,26-1,35

70-104

3,1-4,4

120-250

-200

139-153

334-343

PEI

1,27-1,28

104-105

3,0

150-170

-200÷-240

216-220

215-250

PES

1,37

84

2,4-2,5

150-180

-90÷-100

158-225

230

PI

1,37-1,43

52-138

3,1-4,8

280-350

-270

-

256

PPS

1,30-1,40

66-90

2,6-3,9

200-260

-200

185

275-290

PTFE

2,10-2,30

10-35

0,5-1,0

200-260

-250÷-270

123

327


Poliamid (PA)

A poliamidok olyan heteroláncú polimerek, amelyek a főláncban amidcsoportokat tartalmaznak (10. ábra). Áttetsző, nagy szilárdságú, kemény, részben (50%) kristályos szerkezetű anyagok. Egyik jellegzetes tulajdonságuk a nagy vízfelvétel. Benzinnek, olajoknak, alkoholoknak és a legtöbb ipari oldószernek ellenállnak, de szinte minden sav megtámadja, a tömény kénsav, a hangyasav és m-krezol oldja.

10. ábra - Poliamid általános képlete

10. ábra Poliamid általános képlete

A PA6 jó mechanikai szilárdsággal rendelkezik, vibrációnak, fárasztásos igénybevételnek is jól ellenáll. Megfelelő elektromos tulajdonságokkal jellemezhető, amelyek azonban erősen függnek a vízfelvételtől. Ütésállósága száraz állapotban és fagypont alatti környezetben gyenge, kivéve a különleges, elasztomerrel adalékolt típusokat. Nagy vízfelvétel (normál klímán 3-4%), ennek következtében viszonylag gyenge méretstabilitás jellemzi. Oxidációra érzékeny, mikroorganizmusok támadásának jól, ionizáló sugárzásnak közepesen ellenáll.

A PA66 általános tulajdonságai a PA6-éhoz hasonlóak, hőállósága viszont jobb, olvadáspontja kb. 40°C-kal magasabb. Húzószilárdsága, merevsége, méretstabilitása nagyobb, szívóssága, ütésállósága és vízfelvétele viszont valamivel kisebb.

A PA11 hőállósága kisebb, mint a PA6-é, mert olvadáspontja 35-40°C-kal alacsonyabb. Jó ütésállóságát azonban -40°C-ig is megőrzi. Vízfelvétele kicsi, normál klímán 0,7%, ezért tulajdonságai és méretei alig változnak a környezet nedvesség-tartalmának hatására.

A PA12 tulajdonságai, kémiai felépítésük hasonlósága miatt rendkívül hasonlóak a PA11-éhez. Olvadáspontja kb. 10°C-kal alacsonyabb, szívósabb, hidegállóbb (-60…-80°C-ig szívós marad). A PA610 tulajdonságai legjobban a PA6-éhoz hasonlítanak. A hosszabb alifás lánctagok miatt azonban vízfelvétele kisebb (1,5-2%), ezért mérettartása is jobb. Hőállósága alig kisebb, mechanikai jellemzőik is nagyon hasonlóak.

Poliészterek (PET, PBT)

A hőre lágyuló poliészterek részben kristályos szerkezetű, kemény, merev, kopásálló anyagok (11. ábra). Átlátszóak, de ez a tulajdonságuk 70-100°C hőmérsékleten történő melegítés során az eredetileg rendezett molekulaláncok rendezetlenné válása miatt megszűnik.

11. ábra - Hőre lágyuló poliészter általános képlete

11. ábra Hőre lágyuló poliészter általános képlete

A legfontosabb képviselőjük a PET. A részlegesen kristályos PET keménysége, kopásállósága nagy, súrlódási tulajdonságai jók, tartósan hőálló, vegyszerálló és gázzáró. Jellemző tulajdonságai a kis vízfelvétel, kiváló mechanikai és elektromos tulajdonságok, jó méretstabilitás, kis kúszási hajlam. Hő- és hidegállósága jó, tartósan igénybevehető -60÷130°C közötti hőmérséklettartományban. Mikroorganizmusoknak, UV-sugárzásnak ellenáll. Gyenge savak, lúgok, olajok, zsírok és aromás szénhidrogének nem támadják meg.

A PBT részlegesen kristályos szerkezetű, jól színezhető, felülete esztétikus. Nagy a mechanikai szilárdsága, vibrációnak, fárasztásnak jól ellenáll, nagy a rugalmassági modulusza és keménysége, jó méretstabilitás, vegyszerállóság, kopásállóság jellemzi, de viszonylag gyenge az ütésállósága fagypont alatti hőmérsékleten. Kis vízfelvétel jellemzi, éghetőségi tulajdonságai gyengék, de időjárás-állósága jó.

A terilén a leghőállóbb szintetikus szálak alapanyaga, tereftálsav és etilén-glikol észteresítésével állítható elő. 150°C és 300°C között meglágyul. Mechanikai szilárdsága és kopásállósága igen jó. Vegyszerállósága is jó, de lúgos mosószeres vízben nem szabad kimosni, mert az észterkötések elhidrolizálnak.

Poli(éter-éterketon) (PEEK)

Magas hőmérsékleten (200°C felett) alkalmazható műanyag (12. ábra). Kristályossága általában 30-35%, de szénszál hozzáadásával akár 48% is lehet. Üvegesedési hőmérséklete ~143°C. Vízmegkötő képessége tizede az epoxi-műanyagokénak, és 50-100-szor szívósabb. Nagy hátránya viszont, hogy magas a feldolgozási költsége, mert 300°C feletti hőmérsékleten dolgozható fel.

12. ábra - Poli(éter-éterketon) általános képlete

12. ábra Poli(éter-éterketon) általános képlete

Poli(éter-imid) (PEI)

Kiváló hőállóság jellemzi, mechanikai szilárdsága igen nagy, ütésállósága közepes, vibrációnak, fárasztásos igénybevételeknek jól ellenáll (13. ábra). Időjárás-állósága nagyon jó, ionizáló sugárzásnak is ellenáll. Vegyszerállósága ugyancsak jó, ellenáll ásványi savaknak, sóoldatoknak és 9-nél kisebb pH-jú lúgoknak, szénhidrogéneknek, kenő- és üzemanyagoknak, freonoknak. Klórozott szénhidrogének viszont oldják, egyes fékfolyadékok, fenol, aceton feszültségkorróziós repedezést okozhatnak. Mérettartása kitűnő, kúszási hajlama kicsi.

13. ábra - Poli(éter-imid) általános képlete

13. ábra Poli(éter-imid) általános képlete

Poli(éter-szulfon) (PES)

Amorf, víztiszta, nagy hőállóságú műanyag (14. ábra). Mechanikai szilárdsága nagy, hőállósága nagyon jó. Ásványi savaknak, vizes sóoldatoknak, lúgoknak ellenáll magasabb hőmérsékleten is, ketonok, aromás és klórozott szénhidrogének azonban megtámadják, oldhatják is.

14. ábra - Poli(éter-szulfon) általános képlete

14. ábra Poli(éter-szulfon) általános képlete

Polietilén (PE)

Az egyes polietilén típusokat különböző eljárásokkal állítják elő, kihasználva azt, hogy a gyártástechnológia döntően befolyásolja a polimer láncok elágazásainak számát és eloszlását, ezen keresztül a kristályszerkezetet és a polimer tulajdonságait (15. ábra). A leggyakrabban alkalmazott típusok tulajdonságait a 4. táblázat tartalmazza [13, 15].

15. ábra - Különböző polietilének általános szerkezete

15. ábra Különböző polietilének általános szerkezete

Részlegesen kristályos, vékony rétegben áttetsző, paraffinszerű tapintású műanyag, hidegállósága kiváló. Elektromos szigetelőképessége nagy, dielektromos állandója kicsi, és széles frekvencia-tartományban közel állandó.

A kis sűrűségű polietilén (LDPE) áttetsző vagy átlátszó anyag. Szobahőmérsékleten a legtöbb oldószernek ellenáll, de magasabb hőmérsékleten megduzzad. Nem mérgező, élelmiszerekkel közvetlenül érintkezhet. Tulajdonságainak javítására adalékokat, pl. lágyítókat, oxigén- és sugárzás-érzékenység elleni stabilizátorokat kevernek a polimerhez.

A nagy sűrűségű polietilén (HDPE) átlátszó, szilárd, könnyen megmunkálható műanyag. A molekulatömeg növekedésével mechanikailag egyre szilárdabbá válik. A legtöbb oldószernek, sóoldatnak, savnak és lúgnak melegen is ellenáll. A zsírok és olajok csak kis mértékben duzzasztják, erős oxidálószerek (salétromsav, halogének) viszont feloldják. A szénhidrogének 60°C fölött megtámadják. Nem mérgező. Csak az előállítása során fel nem használt monomernek és a katalizátoroknak van mellékhatása, ezért ezek legnagyobb megengedett koncentrációját törvény szabályozza.

4. táblázat - Különböző polietilének jellemző tulajdonságai

tulajdonság

HDPE

LDPE

LLDPE

kristályossági fok, %

65%

40% alatt

40% alatt

lágyuláspont, °C

130-140

110-120

110-120

sűrűség, g/cm3

0,935-0,960

0,910-0,925

0,918-0,940

lineáris hőtágulási együttható, 1/K

20 x 10-5

13-14 x 10-5

13-14 x 10-5

húzószilárdság, MPa

14,5-38,0

7,5-14,0

10,0-17,5

húzómodulusz, MPa

413-1490

55-380

650-830

szakadási nyúlás, %

12-1000

90-800

400

Izod-szilárdság (hornyolatlan), J/m

25-1060

>854

nem törik

lehajlási hőmérséklet, °C

43-60

32-50

35-46


Poli(fenil-éter) (PPE)

Kitűnő feldolgozhatóság, nagyon szép felület, jó tisztíthatóság jellemzi, karcállósága is jó (16. ábra). Vízfelvétele nagyon kicsi, hidrolízisnek, sóoldatoknak, savas és lúgos közegeknek jól ellenáll. Számos klórozott és aromás szénhidrogénben oldódik, más hasonló vegyületek pedig duzzasztják és/vagy feszültségkorróziós repedéseket okoznak.

16. ábra - Poli(fenil-éter) általános képlete

16. ábra Poli(fenil-éter) általános képlete

Mechanikai szilárdsága jó, a hőmérséklet emelkedésével csak kevéssé csökken. Zsugorodása egyenletes és kicsi, méretstabilitása jó, kúszási hajlama még magas hőmérsékleten is kicsi. Időjárás-állósága viszont gyenge. Felülete a napsugárzás hatására hamar elszíneződik, besárgul, de a termékek mechanikai szilárdsága eközben csak kismértékben csökken. Mikroorganizmusok hatásainak jól ellenáll.

Poli(fenilén-szulfid) (PPS)

Kristályossága maximum 65%. Magas hőmérsékleten, akár 225°C-on is folyamatosan alkalmazható (17. ábra). Üvegesedési hőmérséklete 85°C, lágyuláspontja 285°C. Olyan helyeken célszerű alkalmazni, ahol magas hőmérsékleten is fontos a vegyszerekkel szembeni ellenálló képesség.

17. ábra - Poli(fenilén-szulfid) általános képlete

17. ábra Poli(fenilén-szulfid) általános képlete

Poliimid (PI)

Hőállósága kitűnő, de alacsony hőmérsékleten is hosszú ideig megőrzi rugalmasságát (18. ábra). Mechanikai tulajdonságai közepesek, kúszási hajlama kicsi, mérettartása nagyon jó. Elektromos ellenállása nagy, kopásálló. Feldolgozása nehéz, csak forgácsolással lehetséges. Ionizációs sugárzásoknak kitűnően ellenáll, időjárás-állósága azonban gyenge. Vegyszerállósága közepes, gyenge savaknak, sóknak, olajoknak, üzemanyagoknak, alifás- és aromás szénhidrogéneknek és a legtöbb szerves oldószernek ugyanis ellenáll, de erős savak, lúgok, oxidálószerek, aminok megtámadják.

18. ábra - Poliimid általános képlete

18. ábra Poliimid általános képlete

Polikarbonát (PC)

A polikarbonát víztiszta, amorf, nagyon jó optikai jellemzőkkel rendelkezik, fényáteresztő képessége az üvegével azonos, 88-90% (19. ábra). Rendkívül nagy ütésállósága a fémekével vetekszik, az adalékolatlan műanyagok közül a legnagyobb. Ütéssel szembeni ellenállását szélsőséges hőmérsékleti körülmények között is megtartja. Jó mechanikai szilárdság jellemzi, nagyon jók dielektromos és elektromos szigetelő tulajdonságai széles hőmérséklet- és frekvencia-tartományban. Jó mérettartással, kismértékű kúszási hajlammal jellemezhető. Vízfelvétele kicsi, így tulajdonságai a víz hatására gyakorlatilag nem változnak.

19. ábra - Polikarbonát általános képlete

19. ábra Polikarbonát általános képlete

Éghetőségi tulajdonságai jók, zsugorodása kicsi és egyenletes, hőtágulási együtthatója is viszonylag alacsony. A legtöbb szerves vegyülettel szemben, pl. üzemanyagok, kevéssé ellenálló, feszültségkorrózióra hajlamos. Ellenáll a nem túl nagy koncentrációjú ásványi savaknak, a szerves savaknak, a vizes oxidáló és redukáló szereknek, a sóoldatoknak, az alifás és cikloalifás szénhidrogéneknek, a metanol kivételével az alkoholoknak és számos olajnak, zsírnak. A lúgok, az ammónia és a különböző aminok roncsolják. Az aceton, benzol, széntetraklorid erősen duzzasztja, ketonok, észterek, klórozott és aromás szénhidrogének megtámadják, a piridin, metilén-klorid, kloroform, triklór-etán és metakrezol oldja. A meleg víz 60°C felett tartós igénybevétel esetén már megtámadja, rövid ideig azonban valamennyi típus károsodás nélkül ellenáll a forró víz hatásának, sőt gőzzel is sterilezhető.

Poli(metil-metakrilát) (PMMA)

A metil-metakrilát homo- és kopolimerjei amorf, víztiszta műanyagok (20. ábra), kiválóak az optikai jellemzőik, a víztiszta típusok fényáteresztő képessége 90% felett van. Fénytörése egyenletes és sok éven keresztül állandó. Fiziológiailag közömbös, vízfelvétele kicsi, ezért méretstabil, és elektromos tulajdonságai sem változnak a vízfelvétel hatására.

20. ábra - Poli(metil-metakrilát) általános képlete

20. ábra Poli(metil-metakrilát) általános képlete

Hidegfolyása, kúszási hajlama kicsi. Időjárás-állósága a többi hőre lágyuló műanyaghoz képest egyike a legjobbaknak. Szobahőmérsékleten ellenáll a legtöbb szervetlen vegyszernek, zsíroknak, alifás szénhidrogéneknek, olajoknak, fémsóknak és gázoknak. Ellenáll víznek, élelmiszereknek, tisztítószereknek, tömítőanyagoknak. Általában aromás szénhidrogének, ketonok, alkoholok, észterek és éterek megtámadják, duzzasztják, illetve oldhatják is.

Poli(oxi-metilén) (POM)

Lineáris szerkezetű, kristályos, szívós, kemény, merev, nagyszilárdságú műanyag (21. ábra). Kopásálló, súrlódási együtthatója és kúszási hajlama kicsi. Nagyfokú méretstabilitás, de nagy feldolgozási zsugorodás jellemzi. Ütésállósága közepes, nagyon kicsi a vízfelvétele. Vegyszerállósága jó, feszültségkorrózióra nem hajlamos. Ellenáll a gyenge savaknak és lúgoknak, benzin, benzol, alifás szénhidrogének, zsírok, olajok és hideg víz nem támadják meg. Oxidáló savak, fenol, krezol roncsolják.

21. ábra - Poli(oxi-metilén) általános képlete

21. ábra Poli(oxi-metilén) általános képlete

Polipropilén (PP)

A polipropilén átlátszó, részlegesen kristályos szerkezetű műanyag (22. ábra). 100°C felett gyorsan oxidálódik, rideggé, törékennyé válik. A hőre lágyuló műanyagok között a legkisebb a sűrűsége, ennek ellenére azonban jó szilárdsági tulajdonságokkal rendelkezik.

22. ábra - Polipropilén általános képlete

22. ábra Polipropilén általános képlete

Alacsony hőmérsékleten rideggé válik az amorf részek üvegesedési hőmérséklete(-10…-20°C) miatt, szobahőmérsékleten nem oldható és nem ragasztható. Elektromos szigetelőképessége és dielektromos tulajdonságai a polietilénhez hasonlóan nagyon jók. A vízfelvétele kb. 0,2%, ezért mechanikai tulajdonságai gyakorlatilag függetlenek a környezet nedvességtartalmától. Oldószereknek, maró anyagoknak, savaknak és lúgoknak magas hőmérsékleten is ellenáll. Aromás és klórozott szénhidrogének duzzasztják, magasabb hőmérsékleten pedig feloldják. Oxidálószerek (salétromsav, ózon, klór) megtámadják.

Polisztirol (PS)

A polisztirol amorf, tiszta állapotban rideg, víztiszta, optikai tulajdonságai előnyösek, fényáteresztése, törésmutatója nagy (23. ábra). Elektromos tulajdonságai, mérettartása jók. Erősen kormozó lánggal ég. Víznek, híg savaknak, sóoldatoknak és lúgoknak ellenáll. Aromás és halogénezett szénhidrogének, éterek, ketonok, észterek és illóolajok megtámadják. Ultraibolya sugárzás és a levegő oxigénjének együttes hatására megsárgul, és rideggé válik. Nem mérgező, élelmiszerekkel való közvetlen érintkezése engedélyezett.

23. ábra - Polisztirol általános képlete

23. ábra Polisztirol általános képlete

Igen jó műszaki tulajdonságokkal rendelkező műanyag az akrilnitril/butadién/sztirol terpolimer (ABS). Tulajdonságai széles tartományban változtathatók, egyrészt a három monomer arányával, másrészt az előállítási eljárással. Általában nem átlátszó, vízfelvétele kisebb, mint 1%, így elektromos és egyéb tulajdonságai függetlenek a környezet nedvesség-tartalmától. Zsugorodása kicsi és egyenletes, mérettartása jó, kúszási hajlama kicsi, hajlamos viszont a feszültségkorróziós repedésre. Jól ég, éghetőségének csökkentésére égésgátló anyagokat adalékolnak. Ellenáll lúgoknak, híg savaknak, telített szénhidrogéneknek, a legtöbb növényi és állati eredetű olajnak, zsírnak, ásványolajnak, víznek és vízben oldódó sóknak. A polisztirolhoz hasonlóan aromás ketonok, éter, észter, klórozott szénhidrogének duzzasztják, illetve oldják.

Poli(tetrafluor-etilén) (PTFE)

A legnagyobb sűrűségű műanyagok egyike (24. ábra). Nagy a hőállósága és ez jó fagyállósággal párosul, így széles hőmérséklet-tartományban használható fel. Csak 400-450°C körül lágyul. Kúszási hajlama nagyon nagy, puha, nem karcálló.

24. ábra - Poli(tetrafluor-etilén) általános képlete

24. ábra Poli(tetrafluor-etilén) általános képlete

Erős ásványi savaknak, lúgoknak és oxidálószereknek még magas hőmérsékleten is ellenáll. Egyetlen szerves oldószer sem duzzasztja. Hosszú idő alatt sem vesz fel vizet, dielektromos tulajdonságai rendkívül jók, magas hőmérsékleten, nedves és agresszív közegben egyedülálló dielektrikum. A PTFE kitűnően ellenáll a fény és az időjárás hatásainak, ionizáló sugárzás hatására azonban gyorsan elroncsolódik. Normális körülmények között éghetetlen és nem lobban lángra.

Poliuretán (PUR)

A poliuretánok tulajdonságai a nagyon különböző előtermékektől és előállításuk körülményeitől függnek (25. ábra). Elsősorban változatos tulajdonságokkal rendelkező kemény és lágy habok vagy a szilárd, hőre lágyuló műanyagok és kaucsukszerű anyagok alakjában használják fel.

25. ábra - Különböző poliuretánok általános képlete (R’: izocianát (pl. TDI, MDI, TMDI…); R’’: poliol szénlánca)

25. ábra Különböző poliuretánok általános képlete (R’: izocianát (pl. TDI, MDI, TMDI…); R’’: poliol szénlánca)

Lúgokkal, savakkal és szerves oldószerekkel szemben nagyon ellenállóak. A levegő oxigénje a poliuretánokat kissé megtámadja. Legnagyobb része sejtszerű szerkezettel rendelkezik, és nem mérgező.

Poli(vinil-klorid) (PVC)

Színtelen, gyantaszerű, rideg, törékeny anyag, felhasználása szinte kizárólag lágyítószerek hozzáadásával történik (26. ábra). Savakkal és szénhidrogénekkel szemben ellenálló, szerves oldószerek (aceton, fenol, klórozott szénhidrogének) oldják, hatásukra duzzadhat.

26. ábra - Poli(vinil-klorid) általános képlete

26. ábra Poli(vinil-klorid) általános képlete

A lágyítószer tartalomtól függően megkülönböztetjük a kemény és lágy PVC-t (5. táblázat). Fény, hő és mechanikai igénybevétel hatására a láncok lebomlanak, eközben a műanyag sötétre színeződik. Hőre lágyuló műanyagokkal és elasztomerekkel ötvözhető, így a PVC tulajdonságait különleges felhasználási céloknak megfelelően lehet alakítani.

5. táblázat - PVC tulajdonságai

 

kemény PVC

lágy PVC

sűrűség

(g/cm3)

1,38-1,55

1,16-1,35

üvegesedési hőmérséklet

(°C)

80

-10÷30

szakítószilárdság

(MPa)

5-7,5

1-2,5

szakadási nyúlás

(%)

10-50

130-400

maximális alkalmazási hőmérséklet

 

rövid idejű

(°C)

75-100

55-65

huzamos

65-85

50-55


A kemény PVC amorf, üvegesedési hőmérséklete magas. Mechanikai szilárdsága közepes, merevsége viszonylag nagy. Ütőszilárdsága alacsony, de növelhető lágyítókkal, illetve klórozott polietilén, vagy nitrilkaucsuk bekeverésével. Nehezen feldolgozható polimer, mert folyóképessége kicsi. Időjárás-állósága jó, megfelelő stabilizátorokkal több évtizedes kültéri alkalmazásokra is megfelelő. A lágy PVC tulajdonságai a lágyítók típusától és koncentrációjától (10-300%) függnek. A lágyított polimer sokkal rugalmasabb, hőállósága, mechanikai szilárdsága csökken, nyúlása, ütésállósága nő. Éghetőségi jellemzői romlanak. Vegyszer- és időjárás-állósága a lágyítótól függ. A PVC a környezetvédők támadásainak egyik célpontja, ennek ellenére felhasználásának mértéke nem csökken, mert számos területen nincs gazdaságos alternatívája.

Természetes alapú műanyagok

A természetben előforduló növényi rostok, növényi tejnedvek, állati fehérjék és származékaik kémiai átalakítása vezetett a természetes alapú műanyagok előállításához. A kiindulási természetes alapanyag lehet makromolekula, mint a cellulóz, a kaucsuk, a fehérjék, vagy ezekhez képest kismolekulájú vegyület, mint például a fenyőgyantából kinyert sellakk. Ezek fontosabb tulajdonságait mutatja be a 6. táblázat [16-19].

6. táblázat - Néhány természetes alapú műanyag tulajdonságai

anyag

sűrűség

szakító-szilárdság

húzómodulusz

üvegesedési hőmérséklet

szakadási nyúlás

(g/cm3)

(MPa)

(GPa)

(°C)

(%)

cellulóz-acetát1

-

4,1

0,078

-

27

cellulóz-acetát2

-

3,3

0,057

-

34

CP-300

1,16

24

0,494

-

-

FUPTPS

-

4,56

0,027

-

-

GPTPS

 

4,55

0,076

38,3

-

PDLLA

1,27

4-53

0,15-0,19

50-60

5-10

PLLA

1,25-1,29

12-2304

0,7-1,0

50-60

12-26

Szója

-

11,11

0,250

-

53

TPS

-

5,05

0,045

-

105


1 20 % cellulóz-acetát mellett 50% DMSO, 15% aceton és 15% 2-propanol; 2 20 % cellulóz-acetát mellett 66,5% DMSO, 13,5% 2-propanol; 3 nem orientált film; 4 szálas elrendeződés;

Cellulózszármazékok

A cellulózszármazékok általános jellemzője a nagy mechanikai szilárdság, átlátszóság, felületi fényesség, nagy rugalmasság, kiváló fényállóság, jó hangelnyelő képesség és kis feltöltődési hajlam. Főbb alaptípusai a viszkóz, cellulóz-acetát és celluloid.

A viszkóz regenerált cellulóz. Előállításához a cellulózt úgy oldják fel, hogy közben a makromolekulák mérete nem csökken számottevően, majd az így keletkező nagy viszkozitású oldatból a cellulózt kicsapják NaOH, CS2 vagy híg H2SO4 alkalmazásával. Előállítanak belőle szálat (viszkóz műselyem), fóliát (celofán), viszkózszivacsot.

A cellulóz-acetát cellulóz ecetsavas kezelésével állítható elő, leginkább diacetátot és triacetátot gyártanak. Az acetilcsoportok beépítésével lényegesen csökken a nedvszívó képesség. Aceton, savak, etanol és klórozott szénhidrogének oldják, illetve károsítják. Nem hőálló, a diacetát még rövidebb ideig sem melegíthető 135°C fölé, 200°C fölött a triacetát szilárdsága pedig lecsökken.

A celluloid (nitrocellulóz) természetes cellulózból salétromsavas kezeléssel állítható elő. Acetonban jól oldódik, lágyítószerekkel elterjedt lakkok alapanyaga. A lágyítószerrel kevert nitrocellulóz volt az első közismert műanyag. Szívós, ütésálló, átlátszó, szép megjelenésű, de tűzveszélyessége miatt kiszorult a használatból.

Fehérjeszármazékok

Műanyag előállítására leggyakrabban a tej, a kukorica és a szójabab fehérjéit használják [18, 20]. A tejben lévő kazeint (fehérje) savas oldattal kicsapják, majd a megfelelő formára igazított tárgyat form-aldehidbe (formalin) helyezik, amiben az anyag megkeményedik. A formaldehid ugyanis reagál a fehérje amino- és amid-NH-csoportjaival, és ennek során térhálós szerkezet alakul ki. Az így keletkező műanyag a szaruhoz hasonló, ezért műszarunak is szokták nevezni.

A kukoricaliszt magas fehérjetartalma miatt alkalmas lehet biológiailag lebontható műanyagok előállítására, mint pl. a Zein néven fogalomba hozott típus, amely ellenálló a napfénnyel és 140°C-ig a hőmérséklettel szemben is. Általában 67-70% fehérjét, 21-26% szénhidrátot, 1-2% hamut és 1-2% rostot tartalmaz. A mechanikai tulajdonságai, különösen a hajlíthatósága fokozható poláris lágyítók, például víz vagy glicerin hozzáadásával [21].

A szója évente megújuló és olcsó alapanyag a biológiailag lebontható műanyagokhoz, 90% a fehérjetartalma. A cisztein (fehérje) molekulák között létrejövő diszulfid-hidaknak köszönhetően erős polimer lánc alakítható ki a szójafehérjéből. Hátránya viszont, hogy nagyon nedvszívó a benne található egyéb poláris aminosavak miatt [20], amelyek elsősorban szerin, glutaminsav, glicin, tirozin, hisztidin, lizin és arginin. A nedvességre való érzékenysége okozza, hogy a relatív páratartalommal jelentősen változik a belőle előállított termék mérete és mechanikai tulajdonságai (27. ábra).

27. ábra - Szója alapú mátrixanyagok mechanikai tulajdonságai a sztearinsav-tartalom függvényében (30%glicerin) (a. szakítószilárdság; b. húzómodulusz; c. nedvességtartalom)

27. ábra Szója alapú mátrixanyagok mechanikai tulajdonságai a sztearinsav-tartalom függvényében (30%glicerin) (a. szakítószilárdság; b. húzómodulusz; c. nedvességtartalom)

Kaucsukszármazékok

A természetes kaucsuk nyúlós, képlékeny anyag, sok növény tejnedvében megtalálható. Legnagyobb mennyiségben a Brazíliában őshonos kaucsukfa tejnedve tartalmazza. A kicsurgó kaucsuktejből savakkal csapják ki a nyers kaucsukot, amelyben az óriási kaucsuk molekulák összegubancolódott szálakként csavarodnak egymás köré. A létrejövő molekulahalmazban a molekulák között nem alakul ki kristályos rend. Könnyen szakítható és alakítható, mert csak gyenge van der Waals kölcsönhatás működik a szálak között, ezért sem a nagy nyomást, sem pedig a hőmérséklet-változást nem viseli el maradó alakváltozás nélkül. Legjellemzőbb példája az ebonit, amely 30% kéntartalmú kaucsuk. Nagy szilárdságú, gyakorlatilag oldhatatlan, térhálós polimer.

Keményítő származékok

A keményítő természetes, megújuló poliszacharid, amely számos terményből kinyerhető [22]. A keményítőt széles körben vizsgálták már különböző termékek, például detergensek és rovarirtók tárolásához, vízoldható tasakok, mosható alátétek és zacskók előállításához [23]. Magas hőmérséklet és nyírás hatására a természetes keményítő hőre lágyuló keményítővé alakítható (TPS). 150°C-on kiváló a stabilitása, 180°C felett azonban instabillá válik. Mivel a keményítő monomerje három szabad hidroxil-csoportot tartalmaz, a polimerben hidrogénhíd-kötések kialakulására van lehetőség, amely kötések a keményítő szilárdságát adják. Lágyító komponensként leginkább glicerint használnak, de előfordul karbamid és formamid is [24], szerepük a keményítőt felépítő molekulák átrendeződésének megakadályozása. Még a glicerinnél is jobb lágyító a karbamid-formamid keverék, amely nem csak a szilárdságát őrzi meg a keményítőnek, hanem növeli a rugalmasságát is. Két nagy hátránya van a mesterséges polimerekkel szemben, mégpedig, hogy többnyire vízoldható és kicsi a mechanikai szilárdsága (6. táblázat). A vízoldhatóság csökkentésére megoldás lehet a más biológiailag lebomló műanyagokkal való összekeverés, a mechanikai tulajdonságok javítására pedig a szálerősítés természetes szálakkal, illetve újrahasznosított cellulózszálakkal.

Politejsav (PLA)

A PLA a tejsav polimerje, és elsősorban a gyűrűs laktid dimer gyűrűfelnyitó polimerizációjával állítják elő. PLA-t elő lehet állítani a tejsav közvetlen polikondenzációjával is, és habár ezzel a módszerrel meglehetősen kis molekulatömegű típust lehet előállítani, speciális technikákkal meg lehet oldani a problémát.

28. ábra - Politejsav általános képlete

28. ábra Politejsav általános képlete

A politejsav [17] két formáját különböztetünk meg: poli-L-tejsavat (PLLA), amely kristályos és a poli-D,L-tejsavat (PDLLA), amely amorf polimer (28. ábra). Mindkét forma hőre lágyuló, de egyéb fizikai és mechanikai tulajdonságaik alapvetően különböznek. A politejsav polimereknek jó fizikai és mechanikai tulajdonságai vannak, jó a hőstabilitása, rugalmassági modulusza nagyobb, mint a polisztirolé.